Der Natur abgeschaut

US-amerikanische Forscher haben eine Art künstliches Blatt geschaffen, das aus Wasser und Sonnenlicht Energie erzeugen kann. Ähnliches läuft bei der Photosynthese von Pflanzen ab. Optisch hat das künstliche Blatt keinerlei Ähnlichkeit mit seinem natürlichen Vorbild, sondern ist vielmehr eine Art spielkartengroße Solarzelle, beschrieben die Wissenschaftler jetzt ihre Neuentwicklung auf einer Konferenz. Bei der künstlichen Photosynthese entstehen aus Sonnenlicht und Wasser die Partner Sauerstoff und Wasserstoff. Diese beiden Gase reagieren dann in einer sogenannten Brennstoffzelle miteinander und erzeugen Strom. "Das künstliche Blatt eignet sich besonders als kostengünstige Energiequelle für arme Haushalte in Entwicklungsländern", sagte der Forschungsleiter.
Bei der natürlichen Photosynthese erzeugen Pflanzen in ihren Blättern energiereiche Stoffe aus energieärmeren Substanzen mit Hilfe von Lichtenergie. Als Endprodukt entsteht dabei Zucker als Energieträger. Dieses Grundprinzip imitiert auch das künstliche Blatt. Allerdings erzeugt es am Ende elektrische Energie. Es besteht unter anderem aus Silizium, um die Sonnenenergie einzufangen, aus elektronischen Bauteilen und vor allem aus speziellen Katalysatoren. Das sind Substanzen, die chemische Reaktionen beschleunigen, welche unter normalen Umständen nicht stattfinden oder nur verlangsamt ablaufen würden. Stellt man dieses Blatt nun in etwa vier Liter Wasser und in Sonnenlicht, produziert es Wasserstoff und Sauerstoff. Diese Gase können dann eine Brennstoffzelle versorgen. In ihr entstehen elektrische Energie und Wasser als Endprodukte der sogenannten Knallgasreaktion, die bei der Zusammenführung von Wasserstoff und Sauerstoff stattfindet.

Die Idee die Photosynthese der Pflanzen künstlich nachzuahmen, ist nicht neu. Doch bisher scheiterten die Forscher daran, dass zu teure Materialien verwendet werden mussten. Ein weiteres Problem war auch, dass die Spaltung von Wasser den Katalysator verbrauchte und funktionsunfähig gemachte. Pflanzen umgehen dieses Problem, indem sie ihr Photosynthese-System beständig erneuern. Künstliche Blätter können das bisher nicht. Der erste Prototyp von John Turner vom U.S. National Renewable Energy Laboratory in Bolder, USA vor etwa zehn Jahren hielt daher nur zwanzig Stunden.

Das Team um Daniel Nocera konnte nun aus kostengünstigem Material, nämlich Nickel und Kobalt, einen stabilen Katalysator entwickeln und so diese beiden Probleme umgehen. In Laborstudien arbeitete ein erster Prototyp 45 Stunden ohne in seiner Aktivität nachzulassen. "Die Natur wird von der Photosynthese angetrieben", sagte der Chemiker Nocera. "Ich glaube, dass die zukünftige Welt ebenso von der Photosynthese angetrieben wird - in Form von künstlichen Blättern." Sie können eine effektive und vor allem kostengünstige Alternative zu der bisherigen Solarzelltechnik bieten, ist Nocera überzeugt.
Daniel Nocera (Massachusetts Institute of Technology, Cambridge) et al: 241. National Meeting of the American Chemical Society, Anaheim, Kalifornien

dapd/wissenschaft.de - Anke Biester


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